Studie o ultrazvukové technologii extrakce rostlinných aktivních složek

V důsledku průmyslového cíle dosáhnout zelené extrakce se objevily nové extrakční technologie, jako je mikrovlnná extrakce, extrakce superkritickou tekutinou a ultrazvuková extrakce. Tyto nové technologie výrazně podpořily komerční rozvoj tržních plodin. V posledních letech se v oblasti potravinářského průmyslu rychle rozvíjí technologie ultrazvukové extrakce. Tato technologie může nejen zlepšit kvalitu výrobků, ale také snížit výrobní náklady a zlepšit efektivitu a bezpečnost výroby. Ultrazvukové vlny mohou účinně zabránit zničení látek citlivých na teplo v prostředí s vysokou teplotou v procesu zvyšování rychlosti přenosu hmoty. Neustále stimuluje intracelulární žlázy prostřednictvím kavitačních účinků, mechanických účinků atd., čímž podporuje rychlé uvolňování účinných látek. Tato technologie může snížit použití organických rozpouštědel, zlepšit čistotu bioaktivních sloučenin a ušetřit čas na zpracování a provozní náklady. Technologie ultrazvukové extrakce proto splňuje lidské potřeby v oblasti zelené výroby, udržitelného rozvoje a ochrany životního prostředí. Použití ultrazvuku při extrakci rostlinných účinných látek přitahuje stále větší pozornost díky svým jedinečným výhodám. Vědci se také neustále snaží kombinovat ultrazvukovou technologii s různými dalšími extrakčními zařízeními, aby dosáhli lepšího extrakčního výkonu. Kromě běžnější metody ultrazvukové-rozpouštědlové extrakce existují také ultrazvuková-Soxhletova extrakce, ultrazvuková-homogenní extrakce, ultrazvuková vodní destilační extrakce, ultrazvuková-mikrovlnná extrakce a ultrazvuková-superkritická extrakce oxidu uhličitého.

1 Princip ultrazvukové extrakce

Ultrazvuk je definován jako zvuková vlna s frekvencí větší než 20 khz, která přesahuje hranici detekce lidského sluchu. Ultrazvuk je mechanické vlnění s vysokou hustotou energie. Jeho zdrojem zvukové energie je obvykle vibrující předmět, který může způsobit vibraci okolního média a následně přenést energii na další sousední částice. Když ultrazvuk prochází médiem, způsobuje podélný posun částic. Tyto husté molekulární efekty způsobují poškození buněčné stěny a urychlují rychlost přenosu hmoty účinných látek v médiu, čímž je dosaženo účelu zlepšení rychlosti extrakce. Ultrazvuková extrakce se nespoléhá na jediný mechanismus účinku, ale funguje nepřetržitě nebo současně prostřednictvím více fyzikálních mechanismů, jako je mechanická fragmentace, tepelný efekt a kavitační efekt. V homogenátu směsi pevná látka-kapalina způsobí mikropaprsky a mikroturbulence generované akustickou kavitací v kapalném prostředí silné mechanické poruchy, čímž zesílí srážku mezi částicemi, což může snadno vést k rozkladu a lokálnímu prasknutí některých křehkých materiálů. Na druhé straně se v důsledku zmenšení velikosti částic zvyšuje rychlost přenosu hmoty pevných částic a kontaktní plocha mezi pevnou a kapalnou fází, což přispívá k urychlení rozpouštění obsahu v matrici vzorku.

Kavitační efekt je unikátní a komplexní fyzikální jev způsobený šířením a vibrací ultrazvuku v kapalině. Obecně se to týká procesu tvorby, expanze a prasknutí kavitačních bublin v kapalině. Jednoduše řečeno, při aplikaci ultrazvuku o vysoké intenzitě může přitažlivost mezi molekulami média překročit kritickou hodnotu, čímž se vytvoří vysoké smykové napětí v kapalině a následně se vytvoří kavitační bubliny. 1 Kavitační bublina se tvoří v blízkosti povrchu matrice. Po absolvování kontinuálních cyklů komprese-reakce kavitační bublina praskne během kompresního cyklu a generuje krátkodobou tepelnou energii, čímž se na povrchu matrice vytvoří vysokorychlostní mikrotryska a generují se silné rázové vlny. Tento proces může zvýšit okolní teplotu až na 5 000 K a okamžitý tlak může dosáhnout 50 až 1 000 atm. Vzniklé vysokotlaké a vysokoteplotní prostředí zničí buněčnou stěnu rostlinné matrice, čímž se do roztoku uvolní intracelulární látky. Ze snímků bazalkových listů z rastrovacího elektronového mikroskopu, které pořídil CHEMAT a další před a po extrakci oleje, to lze pozorovat živěji: před extrakcí jsou žlázy na listech hladké a plné; po extrakci se začnou zmenšovat, ale struktura žlázy zůstává nedotčena; a po extrakci za pomoci ultrazvuku jsou žlázy zcela porušeny a veškerý jejich obsah je uvolněn.

2 Aplikace ultrazvukové kombinované technologie při extrakci rostlinných účinných látek

Ultrazvuková kombinovaná metoda extrakce rozpouštědlem

Ultrazvuková metoda extrakce rozpouštědlem obecně používá organická rozpouštědla jako média pro přenos energie, to znamená, že rozpouštědla různé polarity jsou vybírána podle vlastností cílové sloučeniny, která má být extrahována, rozpouštědlo je plně smícháno s matricí vzorku a poté je aplikován ultrazvukový zásah. Tato metoda nevyžaduje účast dalšího zařízení. Směs pevná látka-kapalina je přímo umístěna do ultrazvukového zařízení pro extrakci. Ultrazvuková vlna přenáší energii rovnoměrně do matrice vzorku prostřednictvím kapalného média, čímž je dosaženo účelu zlepšení rychlosti extrakce. Jedná se o nejtradičnější, nejjednodušší a nejhospodárnější metodu ultrazvukové extrakce.

Existují dva typy ultrazvukových extrakčních zařízení, a to ultrazvuková vodní lázeň a ultrazvuková sonda. Oba systémy jsou založeny na měničích jako zdrojích ultrazvuku. Ultrazvukové vodní lázně obvykle pracují na frekvenci asi 40 kHz a jsou vybaveny zařízeními pro regulaci teploty. Zařízení je relativně levné a dokáže zpracovat velké množství vzorků současně. Voda obsažená v ultrazvukové lázni a použité sklo však značně oslabí přenášenou ultrazvukovou energii. Ultrazvukové systémy typu sondy jsou obvykle první volbou pro extrakční aplikace. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková energie je přenášena přes malý povrch (špička sondy ponořená pod povrch kapaliny), je generovaná ultrazvuková energie přenášena přímo v extrakčním médiu, takže ztráta ultrazvukové energie je malá. Intenzita ultrazvukových vln přenášených systémem sondy do kapalného média způsobí rychlé zvýšení teploty směsi pevná látka-kapalina, proto je nutné k extrakci používat dvouvrstvé obalové kondenzované sklo.

Mnoho domácích vědců použilo tuto jednoduchou a ekonomickou metodu k extrakci různých účinných látek ze vzorků rostlin a dosáhlo dobrých výsledků. Liu Yanyan použil ultrazvukem asistovanou extrakci polysacharidů Huoshan Dendrobium. Za optimálních extrakčních parametrů může výtěžek polysacharidu dosáhnout 19,96 mg/g; Niu Sikun použil extrakci kumarinů zlatého klasu za pomoci ultrazvuku a míra extrakce celkových kumarinů v myceliu zlatého klasu dosáhla maximálně 0,85 %. Ve srovnání s extrakcí rozpouštědlem může ultrazvuková extrakce rozpouštědlem výrazně zlepšit účinnost extrakce cílového produktu, snížit spotřebu organických rozpouštědel a není snadné zničit aktivitu extraktu. Přesto tato metoda stále spotřebovává určité množství organických rozpouštědel, což způsobí určitou míru znečištění životního prostředí a organické zbytky v získaném extraktu velmi ovlivní kvalitu produktu. Někteří vědci se proto v posledních letech začali pokoušet použít nízkoeutektická rozpouštědla k nahrazení konvenčních extrakčních rozpouštědel v kombinaci s ultrazvukovými metodami k extrakci různých účinných látek z rostlin a dosáhli dobrých výsledků. Nízkoeutektická rozpouštědla jsou novým typem ekologicky šetrné iontové kapaliny, eutektické směsi tvořené kombinací akceptorů vodíkových vazeb a donorů vodíkových vazeb, s nižším bodem tání než jedna složka. Nízkoeutektická rozpouštědla jsou netoxická, levná, snadno se připravují a mají dobrou biologickou odbouratelnost. Jsou ideálními rozpouštědly pro extrakci rostlinných účinných látek. Wang a kol. použila ultrazvukem podporované nízkoeutektické rozpouštědlo k extrakci echinaceových glykosidů a oleuropeinu z malých listových stroužků. Když byl jako nízké eutektické rozpouštědlo použit cholinchlorid/glycerol (1:2, molární poměr), poměr pevná látka-kapalina byl 20 g/ml, teplota byla 68 °C, obsah vody byl 20 % a ultrazvuková vlna byla 200 W po dobu 45 minut, rychlost extrakce echinacey a 804 % glykosidů a glykosidů. 86,21 %, což bylo výrazně lepší než výsledky extrakce tradičních organických činidel. Ni Yujiao a kol. použila ultrazvukem podporované nízkoeutektické rozpouštědlo k získání fenolických látek z moučky semen rakytníku. Výsledky ukázaly, že za stejnou dobu extrakce byl výtěžek polyfenolu této metody 1,6krát vyšší než výtěžek polyfenolu při extrakci za horka.